Galileo在1638年就证明,体型放大10倍后,骨骼强度只增百倍,体重却涨千倍,巨人注定被自己压垮。

假如巨人真的存在,也会被自己的体重压垮

传说中,巨人曾在地球上游荡。Homer的《奥德赛》里,Odysseus遇见独眼巨人Cyclops。亚瑟王时代,男孩Jack靠机智杀死祸害王国的“巨人”,另一个Jack则顺着魔豆茎爬上云端城堡。传说里的巨人都有人形,也做人类的事,只是规模更大。但如果人类巨人真的存在,他们能活下来吗?

在1638年的奠基性著作《关于两门新科学的对话》中,Galileo Galilei论证说,这种人形巨物在物理上不可能存在。他从一根橡木梁说起。梁的承重能力取决于横截面积,破坏沿横截面发生。面积按线性尺寸的平方增长,所以长宽高各放大10倍的梁,强度是原来的100倍。但载荷的重量由体积决定,体积按立方增长。把砖块放大10倍,重量是原来的1000倍。两相对照,放大10倍的梁只强100倍,载荷却重1000倍,大梁连十分之一都撑不住。任何梁放大到足够大,都会因强度按平方增长、质量按立方增长而撑不住自己的重量。

巨人的骨骼就是支撑身体的“梁”。如果骨骼材质与常人相同,他的力量就赶不上质量的增长。Galileo写道,结论对巨人是灾难性的。要保持与常人相同的肢体比例,要么用更硬更强的材料做骨骼,要么就得承认他力气弱于常人,因为身高若无限增加,他会倒下,被自己的体重压碎。同样,放大版的梯子撑不住巨人攀爬,剑太重举不动,盔甲穿不上,木屋撑不起屋顶。民间传说里的巨人世界,在物理上根本说不通。

这个论证也解释了自然界的模样。河马、犀牛、大象和恐龙身材粗壮,骨骼按比例比小动物厚实。大象的腿相对体型就比猫狗粗得多。因为骨骼强度按平方增长,体重却按立方增长,骨骼必须按比例变粗才能撑住增加的体重。缩小尺寸则相反。小动物通常纤细灵活。小昆虫常能跳起自身身高很多倍的高度,还能在墙壁和天花板上行走,因为它们太轻,静电力足以把它们吸附在表面。一只放大10倍的苍蝇体重是原来的1000倍,静电力不够它粘墙,它飞不起来,大概连那牙签般的细腿都撑不住自己站立。

Galileo的悖论同样适用于民间传说里的小人。《格列佛游记》里的小人国居民约6英寸高,按10倍缩小的人骨骼强度只有百分之一,体重只有千分之一,所以不能像常人那样走路,却能跳得很高、扛起相对巨大的重物。Galileo说,物体越小,相对强度越大,小狗能背起两三只和自己一样大的狗,马却连一匹同样的马都背不动。不过小人们也会受小尺度下更突出的力支配,更容易被静电粘住,水也变得格外“粘稠”。

Galileo的观察还揭示了进化如何作用于体型。早期哺乳动物很小,马曾只有小狗那么大。昆虫则相反,在恐龙和鸟类出现之前,蜻蜓翼展达数英尺。但体型并非简单等比缩放,进化一直在为每种体型的生存优势做优化。

Galileo窥见了物理存在中隐秘的一面。强度和质量按不同维度缩放,是纯粹的数学必然。所以在物理宇宙的巨大尺寸范围里,换个尺度,生活就完全不同。巨人不可能存在,小人国居民只属于文学。至于人类,我们之所以是现在的尺寸,有非常充分的理由。

原文:https://www.popsci.com/science/why-human-giants-defy-the-laws-of-physics/